R&S Celle solari più efficienti

Due ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Lbnl) hanno creato un nuovo tipo di materiale superconduttore appositamente progettato per migliorare l’efficienza delle celle solari catturando fotoni a bassa energia. Le celle solari tradizionali reagiscono solo a uno spettro ristretto della luce solare, il che le rende perlopiù inefficaci. Per dirla come i fisici, tali dispositivi convertono solo la luce di lunghezza d’onda corrispondente all’energia impiegata dagli elettroni per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. I fotoni con energia minore, invece, attraversano il materiale indisturbati. Il nuovo semiconduttore, al contrario, riesce a catturare i fotoni a bassa energia e a trasformarli in elettricità, portando a un’efficienza di circa il 45 per cento, a fronte del 25 per cento delle celle convenzionali a semiconduttore singolo e del 39 per cento di quelle a semiconduttori misti.

Il nuovo materiale ha tre bande di energia invece delle solite due (valenza e conduzione). La terza banda è situata sotto quella di conduzione, e divide lo spazio che separa valenza e conduzione in due più piccoli. “Questo consente ai fotoni a bassa energia di intervenire nel processo, spingendo gli elettroni prima sulla banda intermedia e poi su quella superiore, un po’ come una staffetta”, spiega Wladek Walukiewicz della Materials Sciences Division dell’Lbnl, che ha ideato il materiale insieme al collega Kin Man Yu. I due ricercatori hanno scoperto che inserendo in una lega di zinco, magnesio e tellurio (ZnMnTe) alcuni atomi di ossigeno, la banda di conduzione del composto si divide in due parti. Analogamente, è possibile derivare un semiconduttore multibanda anche aggiungendo azoto al fosfuro arseniuro di gallio. L’Lbnl ha concesso la licenza della tecnologia alla RoseStreet Labs, una startup di Phoeniz, Arizona, che vorrebbe commercializzare le celle solari ottenute dai nuovi semiconduttori multibanda. Visto e considerato che si tratta di una tecnologia radicalmente innovativa, però, è difficile dire quando una cella solare del genere sarà effettivamente disponibile, commenta Walukiewicz.

Attualmente, le celle solari con l’efficienza migliore – quelle al 39 per cento – convertono la luce in elettricità tramite diversi materiali semiconduttori caratterizzati da diversi gap di banda, impilati gli uni sugli altri allo scopo di catturare uno spettro più ampio di lunghezze di banda. Solo che tali dispositivi sono partcolarmente costosi, il che ne limita l’applicazione all’impiego satellitare. Una cella costituita invece da un solo semiconduttore multibanda sarebbe più economica e più facile da costruire, continua Walukiewicz. Malgrado ciò, l’aggiunta di ossigeno alla lega ZnMnTe è un’operazione difficile, perché l’ossigeno non si mischia subito con il tellurio. Per creare i nuovi materiali, quindi, i ricercatori hanno sviluppato un metodo che consiste nell’impianto di atomi di ossigeno ad alta energia nella lega tramite un fascio di ioni. Successivamente, “con un breve impulso laser si fonde il materiale per farlo poi ricrescere in modo che l’ossigeno resti intrappolato al suo interno”, spiega Yu. Ottenere una cella solare dal fosfuro arseniuro di gallio dovrebbe essere più facile, aggiungono i ricercatori, perché i composti dell’arseniuro di gallio possono essere prodotti strato per strato.
Per raggiungere il 40 per cento di efficienza, però, il semiconduttore e la cella solare dovranno soddisfare alcuni requisiti fisici fondamentali, commenta Sarah Kurtz, scienziata del National Renewable Energy Laboratory di Golden, in Colorado. L’efficienza infatti dimunisce, per esempio, se il materiale presenta difetti o se la luce non viene assorbita secondo le intenzioni del progettatore. Ma se i ricercatori dell’Lbnn saranno capaci di ovviare a tali inconvenienti, conclude l’esperta, “la loro invenzione rappresenterà una svolta fondamentale nel settore”.

Testo:
www.boiler.it

Fonte:
www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-full-spectrum-solar-cell.html
www.lbl.gov/msd/PIs/Walukiewicz/02/02_8_Full_Solar_Spectrum.html